A video-based framework for automatic 3d localization of multiple basketball players : a combinatorial optimization approach

Sports complexity must be investigated at competitions; therefore, non-invasive methods are essential. In this context, computer vision, image processing, and machine learning techniques can be useful in designing a non-invasive system for data acquisition that identifies players’ positions in official basketball matches. Here, we propose and evaluate a novel video-based framework to perform automatic 3D localization of multiple basketball players. The introduced framework comprises two parts. The first stage is player detection, which aims to identify players’ heads at the camera image level. This stage is based on background segmentation and on classification performed by an artificial neural network. The second stage is related to 3D reconstruction of the player positions from the images provided by the different cameras used in the acquisition. This task is tackled by formulating a constrained combinatorial optimization problem that minimizes the re-projection error while maximizing the number of detections in the formulated 3D localization problem8286CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPESFUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESPNão temNão temNão temWe would like to thank the CAPES, FAEPEX, FAPESP, and CNPq for funding their research. This paper has content from master degree’s dissertation previously published (Monezi, 2016) and available onlin

MonoTrack: Shuttle trajectory reconstruction from monocular badminton video

Trajectory estimation is a fundamental component of racket sport analytics, as the trajectory contains information not only about the winning and losing of each point, but also how it was won or lost. In sports such as badminton, players benefit from knowing the full 3D trajectory, as the height of shuttlecock or ball provides valuable tactical information. Unfortunately, 3D reconstruction is a notoriously hard problem, and standard trajectory estimators can only track 2D pixel coordinates. In this work, we present the first complete end-to-end system for the extraction and segmentation of 3D shuttle trajectories from monocular badminton videos. Our system integrates badminton domain knowledge such as court dimension, shot placement, physical laws of motion, along with vision-based features such as player poses and shuttle tracking. We find that significant engineering efforts and model improvements are needed to make the overall system robust, and as a by-product of our work, improve state-of-the-art results on court recognition, 2D trajectory estimation, and hit recognition.Comment: To appear in CVSports@CVPR 202

3D Trajectory Reconstruction of Drones using a Single Camera

Drones have been widely utilized in various fields, but the number of drones being used illegally and for hazardous purposes has increased recently. To prevent those illegal drones, in this work, we propose a novel framework for reconstructing 3D trajectories of drones using a single camera. By leveraging calibrated cameras, we exploit the relationship between 2D and 3D spaces. We automatically track the drones in 2D images using the drone tracker and estimate their 2D rotations. By combining the estimated 2D drone positions with their actual length information and camera parameters, we geometrically infer the 3D trajectories of the drones. To address the lack of public drone datasets, we also create synthetic 2D and 3D drone datasets. The experimental results show that the proposed methods accurately reconstruct drone trajectories in 3D space, and demonstrate the potential of our framework for single camera-based surveillance systems.Comment: 10 pages, 9 figure

Multicamera System for Automatic Positioning of Objects in Game Sports

Garantir um sistema com múltiplas câmaras que seja capaz de extrair dados 3D da posição de uma bola durante um evento desportivo, através da análise e teste de técnicas de visão computacional (calibração de câmaras e reconstrução 3D)

Planning and Navigation in Dynamic Environments for Mobile Robots and Micro Aerial Vehicles

Reliable and robust navigation planning and obstacle avoidance is key for the autonomous operation of mobile robots. In contrast to stationary industrial robots that often operate in controlled spaces, planning for mobile robots has to take changing environments and uncertainties into account during plan execution. In this thesis, planning and obstacle avoidance techniques are proposed for a variety of ground and aerial robots. Common to most of the presented approaches is the exploitation of the nature of the underlying problem to achieve short planning times by using multiresolution or hierarchical approaches. Short planning times allow for continuous and fast replanning to take the uncertainty in the environment and robot motion execution into account. The proposed approaches are evaluated in simulation and real-world experiments. The first part of this thesis addresses planning for mobile ground robots. One contribution is an approach to grasp and object removal planning to pick objects from a transport box with a mobile manipulation robot. In a multistage process, infeasible grasps are pruned in offline and online processing steps. Collision-free endeffector trajectories are planned to the remaining grasps until a valid removal trajectory can be found. An object-centric local multiresolution representation accelerates trajectory planning. The mobile manipulation components are evaluated in an integrated mobile bin-picking system. Local multiresolution planning is employed for path planning for humanoid soccer robots as well. The used Nao robot is equipped with only relatively low computing power. A resource-efficient path planner including the anticipated movements of opponents on the field is developed as part of this thesis. In soccer games an important subproblem is to reach a position behind the ball to dribble or kick it towards the goal. By the assumption that the opponents have the same intention, an explicit representation of their movements is possible. This leads to paths that facilitate the robot to reach its target position with a higher probability without being disturbed by the other robot. The evaluation for the planner is performed in a physics-based soccer simulation. The second part of this thesis covers planning and obstacle avoidance for micro aerial vehicles (MAVs), in particular multirotors. To reduce the planning complexity, the planning problem is split into a hierarchy of planners running on different levels of abstraction, i.e., from abstract to detailed environment descriptions and from coarse to fine plans. A complete planning hierarchy for MAVs is presented, from mission planners for multiple application domains to low-level obstacle avoidance. Missions planned on the top layer are executed by means of coupled allocentric and egocentric path planning. Planning is accelerated by global and local multiresolution representations. The planners can take multiple objectives into account in addition to obstacle costs and path length, e.g., sensor constraints. The path planners are supplemented by trajectory optimization to achieve dynamically feasible trajectories that can be executed by the underlying controller at higher velocities. With the initialization techniques presented in this thesis, the convergence of the optimization problem is expedited. Furthermore, frequent reoptimization of the initial trajectory allows for the reaction to changes in the environment without planning and optimizing a complete new trajectory. Fast, reactive obstacle avoidance based on artificial potential fields acts as a safety layer in the presented hierarchy. The obstacle avoidance layer employs egocentric sensor data and can operate at the data acquisition frequency of up to 40 Hz. It can slow-down and stop the MAVs in front of obstacles as well as avoid approaching dynamic obstacles. We evaluate our planning and navigation hierarchy in simulation and with a variety of MAVs in real-world applications, especially outdoor mapping missions, chimney and building inspection, and automated stocktaking.Planung und Navigation in dynamischen Umgebungen für mobile Roboter und Multikopter Zuverlässige und sichere Navigationsplanung und Hindernisvermeidung ist ein wichtiger Baustein für den autonomen Einsatz mobiler Roboter. Im Gegensatz zu klassischen Industrierobotern, die in der Regel in abgetrennten, kontrollierten Bereichen betrieben werden, ist es in der mobilen Robotik unerlässlich, Änderungen in der Umgebung und die Unsicherheit bei der Aktionsausführung zu berücksichtigen. Im Rahmen dieser Dissertation werden Verfahren zur Planung und Hindernisvermeidung für eine Reihe unterschiedlicher Boden- und Flugroboter entwickelt und vorgestellt. Den meisten beschriebenen Ansätzen ist gemein, dass die Struktur der zu lösenden Probleme ausgenutzt wird, um Planungsprozesse zu beschleunigen. Häufig ist es möglich, mit abnehmender Genauigkeit zu planen desto weiter eine Aktion in der Zeit oder im Ort entfernt ist. Dieser Ansatz wird lokale Multiresolution genannt. In anderen Fällen ist eine Zerlegung des Problems in Schichten unterschiedlicher Genauigkeit möglich. Die damit zu erreichende Beschleunigung der Planung ermöglicht ein häufiges Neuplanen und somit die Reaktion auf Änderungen in der Umgebung und Abweichungen bei den ausgeführten Aktionen. Zur Evaluation der vorgestellten Ansätze werden Experimente sowohl in der Simulation als auch mit Robotern durchgeführt. Der erste Teil dieser Dissertation behandelt Planungsmethoden für mobile Bodenroboter. Um Objekte mit einem mobilen Roboter aus einer Transportkiste zu greifen und zur Weiterverarbeitung zu einem Arbeitsplatz zu liefern, wurde ein System zur Planung möglicher Greifposen und hindernisfreier Endeffektorbahnen entwickelt. In einem mehrstufigen Prozess werden mögliche Griffe an bekannten Objekten erst in mehreren Vorverarbeitungsschritten (offline) und anschließend, passend zu den erfassten Objekten, online identifiziert. Zu den verbleibenden möglichen Griffen werden Endeffektorbahnen geplant und, bei Erfolg, ausgeführt. Die Greif- und Bahnplanung wird durch eine objektzentrische lokale Multiresolutionskarte beschleunigt. Die Einzelkomponenten werden in einem prototypischen Gesamtsystem evaluiert. Eine weitere Anwendung für die lokale Multiresolutionsplanung ist die Pfadplanung für humanoide Fußballroboter. Zum Einsatz kommen Nao-Roboter, die nur über eine sehr eingeschränkte Rechenleistung verfügen. Durch die Reduktion der Planungskomplexität mit Hilfe der lokalen Multiresolution, wurde die Entwicklung eines Planers ermöglicht, der zusätzlich zur aktuellen Hindernisfreiheit die Bewegung der Gegenspieler auf dem Feld berücksichtigt. Hierbei liegt der Fokus auf einem wichtigen Teilproblem, dem Erreichen einer guten Schussposition hinter dem Ball. Die Tatsache, dass die Gegenspieler vergleichbare Ziele verfolgen, ermöglicht es, Annahmen über mögliche Laufwege zu treffen. Dadurch ist die Planung von Pfaden möglich, die das Risiko, durch einen Gegenspieler passiv geblockt zu werden, reduzieren, so dass die Schussposition schneller erreicht wird. Dieser Teil der Arbeit wird in einer physikalischen Fußballsimulation evaluiert. Im zweiten Teil dieser Dissertation werden Methoden zur Planung und Hindernisvermeidung von Multikoptern behandelt. Um die Planungskomplexität zu reduzieren, wird das zu lösenden Planungsproblem hierarchisch zerlegt und durch verschiedene Planungsebenen verarbeitet. Dabei haben höhere Planungsebenen eine abstraktere Weltsicht und werden mit niedriger Frequenz ausgeführt, zum Beispiel die Missionsplanung. Niedrigere Ebenen haben eine Weltsicht, die mehr den Sensordaten entspricht und werden mit höherer Frequenz ausgeführt. Die Granularität der resultierenden Pläne verfeinert sich hierbei auf niedrigeren Ebenen. Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine komplette Planungshierarchie für Multikopter entwickelt, von Missionsplanern für verschiedene Anwendungsgebiete bis zu schneller Hindernisvermeidung. Pfade zur Ausführung geplanter Missionen werden durch zwei gekoppelte Planungsebenen erstellt, erst allozentrisch, und dann egozentrisch verfeinert. Hierbei werden ebenfalls globale und lokale Multiresolutionsrepräsentationen zur Beschleunigung der Planung eingesetzt. Zusätzlich zur Hindernisfreiheit und Länge der Pfade können auf diesen Planungsebenen weitere Zielfunktionen berücksichtigt werden, wie zum Beispiel die Berücksichtigung von Sensorcharakteristika. Ergänzt werden die Planungsebenen durch die Optimierung von Flugbahnen. Diese Flugbahnen berücksichtigen eine angenäherte Flugdynamik und erlauben damit ein schnelleres Verfolgen der optimierten Pfade. Um eine schnelle Konvergenz des Optimierungsproblems zu erreichen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren zur Initialisierung entwickelt. Des Weiteren kommen Methoden zur schnellen Verfeinerung des Optimierungsergebnisses bei Änderungen im Weltzustand zum Einsatz, diese ermöglichen die Reaktion auf neue Hindernisse oder Abweichungen von der Flugbahn, ohne eine komplette Flugbahn neu zu planen und zu optimieren. Die Sicherheit des durch die Planungs- und Optimierungsebenen erstellten Pfades wird durch eine schnelle, reaktive Hindernisvermeidung gewährleistet. Das Hindernisvermeidungsmodul basiert auf der Methode der künstlichen Potentialfelder. Durch die Verwendung dieser schnellen Methode kombiniert mit der Verwendung von nicht oder nur über kurze Zeiträume aggregierte Sensordaten, ermöglicht die Reaktion auf unbekannte Hindernisse, kurz nachdem diese von den Sensoren wahrgenommen wurden. Dabei kann der Multikopter abgebremst oder gestoppt werden, und sich von nähernden Hindernissen entfernen. Die Komponenten der Planungs- und Hindernisvermeidungshierarchie werden sowohl in der Simulation evaluiert, als auch in integrierten Gesamtsystemen mit verschiedenen Multikoptern in realen Anwendungen. Dies sind insbesondere die Kartierung von Innen- und Außenbereichen, die Inspektion von Gebäuden und Schornsteinen sowie die automatisierte Inventur von Lägern

Ball 3D Localization From A Single Calibrated Image

Ball 3D localization in team sports has various applications including automatic offside detection in soccer, or shot release localization in basketball. Today, this task is either resolved by using expensive multi-views setups, or by restricting the analysis to ballistic trajectories. In this work, we propose to address the task on a single image from a calibrated monocular camera by estimating ball diameter in pixels and use the knowledge of real ball diameter in meters. This approach is suitable for any game situation where the ball is (even partly) visible. To achieve this, we use a small neural network trained on image patches around candidates generated by a conventional ball detector. Besides predicting ball diameter, our network outputs the confidence of having a ball in the image patch. Validations on 3 basketball datasets reveals that our model gives remarkable predictions on ball 3D localization. In addition, through its confidence output, our model improves the detection rate by filtering the candidates produced by the detector. The contributions of this work are (i) the first model to address 3D ball localization on a single image, (ii) an effective method for ball 3D annotation from single calibrated images, (iii) a high quality 3D ball evaluation dataset annotated from a single viewpoint. In addition, the code to reproduce this research is be made freely available at https://github.com/gabriel-vanzandycke/deepsport.Comment: 9 pages, CVSports202

Visualizing Skiers' Trajectories in Monocular Videos

Trajectories are fundamental to winning in alpine skiing. Tools enabling the analysis of such curves can enhance the training activity and enrich broadcasting content. In this paper, we propose SkiTraVis, an algorithm to visualize the sequence of points traversed by a skier during its performance. SkiTraVis works on monocular videos and constitutes a pipeline of a visual tracker to model the skier's motion and of a frame correspondence module to estimate the camera's motion. The separation of the two motions enables the visualization of the trajectory according to the moving camera's perspective. We performed experiments on videos of real-world professional competitions to quantify the visualization error, the computational efficiency, as well as the applicability. Overall, the results achieved demonstrate the potential of our solution for broadcasting media enhancement and coach assistance.Comment: 2023 IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), CVsports worksho